Interactions avec la matière

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1 Tutorat Santé Lyon Sud UE3 Interactions avec la matière Cours du Professeur F. GIAMMARILE L ensemble des cours du Professeur F. GIAMMARILE fait habituellement l objet de 7 QCMs au concours. Le présent support de cours fourni par le Tutorat Santé Lyon Sud est destiné à faciliter votre prise de notes mais ne constitue en aucun cas une référence pour le concours. Seuls les cours ayant été dispensés par les enseignants et les supports mis à disposition par leurs soins sont légitimes. Veuillez prendre note que seul les polycopiés directement téléchargés depuis Spiral Connect sont certifiés en provenance du tutorat, toute autre source est potentiellement compromise. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 1/12

2 SOMMAIRE I. INTERACTIONS DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE... 3 I.A. PHENOMENES ELEMENTAIRES...3 I.B. TRANSFERT LINEAIRE D ENERGIE (TLE)...3 I.C. PARCOURS MOYEN...4 I.D. DENSITE LINEAIRE D IONISATION (DLI)...5 I.E. IONISATION ET RAYONNEMENT...6 I.F. INTERACTION AVEC UN ELECTRON DE L ATOME CIBLE (COLLISION) E > Ee E < ou = Ee...7 I.G. INTERACTION AVEC LE NOYAU DE L ATOME CIBLE (FREINAGE)...7 I.H. CAS DES ELECTRONS ET DES POSITRONS TLE et DLI Trajectoires...8 I.I. CAS DES PARTICULES CHARGEES LOURDES TEL et DLI Trajectoires et parcours moyen Effet Vavilov-Tcherenkov...10 II. INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE II.A. NEUTRONS RAPIDES E > 1000 EV Diffusion élastique Collisions non élastiques...12 II.B. NEUTRONS LENTS Ec faible : Capture radiative Ec importante : Emission de particules ou fission nucléaire...12 II.C. IONISATIONS /12 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

3 Définition : Phénomène qui se produit lorsqu un rayonnement traverse un milieu. Le rayonnement peut être: - particulaire (particules chargées et neutrons) - électromagnétique Le milieu : quelconque, sauf dans quelques cas Cas particuliers : - systèmes de détections : dosimétrie, imagerie - tissu biologique : radiobiologie, radioprotection Ces interactions aboutissent à un échange d énergie (dépôt d énergie de la part du rayonnement). I. INTERACTIONS DES PARTICULES CHARGEES AVEC LA MATIERE I.A. PHENOMENES ELEMENTAIRES Une particule chargée qui passe au voisinage d un atome (neutre, mais chargé aussi) peut interagir : avec le cortège électronique de l atome («collisions») avec le noyau de l atome («freinages») en lui conférant une partie de son énergie cinétique (donc elle perd de la vitesse jusqu à l arrêt définitif). Ceci aboutit à la fois à une ionisation (directe dite primaire) ou à une excitation de l atome (sauts de couches électroniques en cascade dites secondaires) et à un ralentissement de la particule. A chaque interaction, l énergie cinétique de la particule chargée diminue et son trajet se réduit jusqu à l arrêt définitif. I.B. TRANSFERT LINEAIRE D ENERGIE (TLE) TLE ou Transfert d Energie Linéique (TEL) : quantité d énergie transférée au milieu par la particule incidente, par unité de longueur de la trajectoire (en kev/μm). TEL = - de dx z2. m E z2. N v2. n. Z z : charge de la particule m : masse de la particule Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 3/12

4 E : énergie de la particule (le signe «-» est due à la perte d'énergie) v : vitesse de la particule N : nombre d électrons du milieu par unité de volume : n : nombre d atomes de matière par unité de volume Z : numéro atomique de la matière traversée Remarque sur la terminologie : les dénominateurs sont proportionnels aux numérateurs, mais pas directement L énergie perdue par unité de longueur augmente donc : - quand m augmente (arrêt plus simple) - quand E (ou v) diminue (parcours plus court) - quand N augmente (probabilité d interaction avec le milieu) Plus la particule est chargée, plus elle peut donner de l énergie au milieu. Plus l Ec de la particule est grande, moins elle donne de l énergie au milieu. I.C. PARCOURS MOYEN Interactions aléatoires : le parcours d une particule chargée lourde dans un milieu sera déterminé de façon statistique. On sait que TEL = -de/dx. Donc, on a dx = -de/tel. En intégrant, on arrive à la formule : R 0 dx = E TEL de Longueur du parcours R (somme des trajectoires) se mesure précisément : R = E TEL Afin d évaluer les moyens de protection des rayonnements ionisants, il est important de connaître la profondeur de pénétration (parcours moyen) des différentes particules chargées dans un milieu. 4/12 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

5 Remarque : la particule alpha est arrêtée par l air. Portée : - longueur maximale pour laquelle tous les électrons sont arrêtés - dépend de la masse volumique du matériel (densité d électrons) et de l énergie incidente - elle est donc aléatoire aussi entre 0 et Pmax P m E Z Remarque : la portée peut être plus petite que la profondeur de pénétration (cf. diapo 6) I.D. DENSITE LINEAIRE D IONISATION (DLI) Nombre de paires d ions créées par unité de longueur de trajectoire de la particule (en paires d ions/μm). TEL = DLI. w w : énergie moyenne par ionisation (dépend du milieu traversé) (air : 34 ev) DLI = TEL / w Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 5/12

6 I.E. IONISATION ET RAYONNEMENT La relation entre les TEL dus à l ionisation (cortège électronique) et au rayonnement (noyau) est donnée par : TEL rad = Z.E 800 TEL ion Z : charge du noyau E : énergie de la particule (en MeV) Dans l eau (Z=8), un rayonnement de 1 MeV (très énergétique) ne produit donc que 1% du TEL par rayonnement. (Calcul : TELrad = 1/100 TELion) Utilisation de matériaux à Z élevé pour les anticathodes de tubes à RX afin d'avoir TELrad > TELion. I.F. INTERACTION AVEC UN ELECTRON DE L ATOME CIBLE (COLLISION) Selon l énergie transférée ( E) et l énergie de liaison de l électron (Ee) : 1. E > Ee L électron cible est éjecté de son orbite (ionisation de l atome cible). L électron éjecté (secondaire) emporte alors une énergie cinétique (Ec = E - Ee) susceptible d aller créer d autres ionisations. 6/12 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

7 2. E < ou = Ee - si E est suffisant ( E = Ee), l électron cible est porté à un niveau énergétique supérieur (excitation de l atome cible). L atome retournera à son état stable lorsque l énergie transférée sera dissipée (sous forme thermique ou d une émission électromagnétique peu énergétique). - si E est très faible ( E < Ee), l énergie transférée est sous forme thermique (translation, rotation, vibration des molécules comme vu avec le professeur R. Cohen). I.G. INTERACTION AVEC LE NOYAU DE L ATOME CIBLE (FREINAGE) La particule incidente, sous l effet des interactions électrostatiques, est déviée de sa trajectoire. L énergie cinétique perdue par la particule incidente est alors émise sous forme de rayonnement électromagnétique dit «de freinage» ou Bremsstrahlung (production des rayons X). On aura alors : Eb = Ei Ed Eb énergie des photons émis par Bremsstrahlung Ei énergie de la particule incidente Ed énergie de la particule déviée Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 7/12

8 I.H. CAS DES ELECTRONS ET DES POSITRONS Ils proviennent: d'émissions β- ou β+ de noyaux d atomes radioactifs (les positons s annihilent lorsqu ils ont épuisé toute leur énergie cinétique), d'accélérateurs de particules, de mise en mouvement secondaire d'électrons des cortèges électroniques d'atomes du milieu par des photons X ou γ. 1. TLE et DLI Le TLE est faible pour ces particules. L ionisation est plus efficace lorsque l énergie cinétique des électrons est faible (ils ne doivent pas aller très vite pour pouvoir bien ioniser). Les électrons sont freinés plus facilement dans l eau que dans l air (car densité de l eau est supérieure à celle de l air). 2. Trajectoires Lignes brisées : changements de direction correspondent à des transferts d énergie élevée (collisions ou freinage). 8/12 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

9 Parcours moyen : variable, correspond à environ la moitié de la longueur des trajectoires, soit environ ½R. Portée (pour voir si il y a un organe à risque) ne dépasse pas, dans l air, quelques m, dans l eau et les tissus mous, quelques mm. I.I. CAS DES PARTICULES CHARGEES LOURDES Particules plus massives que l électron : protons, deutons 2 H, hélions 4 He (α) qui sont d'origine naturelle (ou artificielle pour l'hélion) - les interactions avec la matière se font principalement avec les électrons (plus nombreux) - les transferts d énergie auront moins d influence sur les trajectoires il n y a pas de rayonnement de freinage (car pas d interaction avec le noyau) 1. TEL et DLI Importantes (à énergie égale, particules plus lentes que les électrons) 2. Trajectoires et parcours moyen Trajectoires rectilignes (particules non déviées par les électrons) Parcours moyen peu variable, pratiquement égal à la longueur des trajectoires R Portée très courte : elle ne dépasse pas dans l air quelques cm, dans l eau et les tissus mous quelques dizaines de μm. Application : Particule α de 5,3 MeV dans l'eau (W = 30eV) Parcours moyen dans l eau 40 μm TLE 130 kev/μm DLI 4500 ionisations/μm Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 9/12

10 Particules, très radiotoxiques, mais totalement arrêtés par une feuille de papier! Le DLI (comme le TEL) augmente quand l énergie de la particule incidente diminue. Or la particule perd de l énergie au fur et à mesure de son parcours, donc la DLI augmente avec le parcours, jusqu au moment où la particule perd toute son énergie cinétique. Applications médicales : Radiothérapie des tumeurs cérébrales. Calcul de l énergie initiale des particules chargées lourdes pour que le pic de Bragg se produise à l intérieur du crâne à la hauteur de la tumeur. Ainsi : dose délivrée à la tumeur est très importante, et la dose délivrée au tissu sain environnant est négligeable. 3. Effet Vavilov-Tcherenkov C est un phénomène similaire à une onde de choc qui se produit lorsqu une particule chargée se déplace dans un milieu diélectrique à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu. L effet Vavilov-Tcherenkov a donc lieu quand une particule chargée atteint une vitesse comprise entre la célérité (= vitesse de la lumière dans le vide) et la vitesse de la lumière dans le milieu de propagation. 10/12 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

11 II. INTERACTION DES NEUTRONS AVEC LA MATIERE Interaction matière Atome, Radioactivité UE3 En raison de leur charge nulle, les neutrons ont une interaction négligeable avec les électrons de la matière traversée. Leur énergie cinétique est peu à peu absorbée par les noyaux selon deux types d interactions, fonction de la vitesse des neutrons : neutrons rapides (énergie > à 1000 ev) neutrons lents (énergie < à 1000 ev) II.A. NEUTRONS RAPIDES E > 1000 EV 1. Diffusion élastique Énergie cinétique perdue transmise intégralement (mais pas totalement perdue!) au noyau heurté («noyau de recul»), qui va produire des ionisations. Diamètre des noyaux très faible (par rapport à l atome) : faible probabilité des chocs élastiques neutrons-noyau neutrons rapides très pénétrants (peuvent traverser la terre sans jamais s arrêter). Rendement (énergie perdue par rapport à l énergie cinétique initiale du neutron) : - maximum dans l hydrogène, car H a la plus petite surface vide par rapport aux autres atomes (substances riches en H ralentissent mieux les neutrons, comme l'eau ou le plastique) - très faible pour les éléments lourds, car : le neutron rebondit (différence des masses) la probabilité d interaction est encore plus faible (cortège électronique plus volumineux). Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 11/12

12 2. Collisions non élastiques Rares, le neutron est absorbé puis relâché par le noyau, qui passe par un stade intermédiaire excité et retourne à la normale avec une émission de rayonnement γ. 1 0 n + A Z A+1 X Z X A Z X + 1 n + γ 0 II.B. NEUTRONS LENTS Interaction entre les neutrons lents (Ec <1000eV) ou thermiques (Ec = 0,025eV) et les noyaux de la matière en fonction : - de l énergie cinétique des neutrons - du type de matériel traversé. 1. Ec faible : Capture radiative Neutron de faible énergie cinétique absorbé par un noyau léger, qui se stabilise avec émission γ (réaction n, γ) 1 0 n + A A+1 X Z Z X + γ 2. Ec importante : Emission de particules ou fission nucléaire Le noyau excité par un neutron d énergie cinétique plus importante, se stabilise par émission de particules, ou par fission nucléaire. II.C. IONISATIONS Les neutrons sont indirectement ionisants, par l intermédiaire : - des particules lourdes chargées (noyaux de recul) - des photons γ émis Les ionisations créées indirectement par les neutrons rapides auront des DLI très élevées (noyaux de recul : particules chargées lourdes avec un TLE très important). Le nombre d ions diminue progressivement (les neutrons rapides deviennent lents). On s aperçoit qu on est devenu un spécialiste quand les choses dont on parle avec plaisir ennuient les autres. Gilbert Cesbron 12/12 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

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